مهندسي بي‌نهايت: شاتل فضايي؛ اولين فضاپيماي چندبارمصرف

• هنگام خروج از جو و جدا شدن از فضاپيما به اقيانوس انداخته شوند. (مانند مراحل اول موشك‌هاي ساترن ۵)
• وسط بيابان‌هاي خالي از سكنه سقوط كنند. (بوسترها و مراحل اول سايوز)
• هنگام ورود مجدد به جو زمين در آن بسوزند. (مرحله‌ي دوم به بالاي اكثر موشك‌ها)
• يا به‌عنوان زباله‌ي فضايي در مدار زمين رها شوند. (مراحل آخر ساترن ۵)

حتي كپسول‌هاي حاوي فضانوردان كه با چتر نجات روي آب يا خشكي فرود مي‌آمدند و تنها قسمتِ نسبتا سالمي بودند كه از فضا به زمين بازمي‌گشتند هم چندبارمصرف نبودند و پس از بازيابي فضانوردان رهسپار موزه‌هاي علمي مي‌شدند.

بقاياي سايوز در سيبري و بقاياي ساترن ۵ در اعماق اقيانوس

به‌همين دليل دسترسي به فضا براي انسان همواره بسيار گران تمام مي‌شد و درنتيجه تنها در انحصار دولت‌ها بود. باوجود دراختيار داشتن بودجه‌هاي كلان، همين دسترسي نصفه‌ونيمه به فضا هم گاهي براي سازمان‌هاي دولتي بسيار گزاف به‌انديشه متخصصين مي‌رسيد. براي مثال بودجه‌ي سالانه‌ي ناسا در دهه‌ي ۶۰ ميلادي و دوران اوج رقابت فضايي به ۵/۹ ميليارد دلار (معادل ۴۰ تا ۵۰ ميليارد دلار امروزي با احتساب نرخ تورم) مي‌رسيد؛ چيزي حدود ۴ درصد از كل بودجه‌ي فدرال آمريكا در آن زمان. هزينه‌ي برنامه‌هاي فضايي در قرن بيستم ميلادي به‌قدري زياد بود كه بسياري عقيده دارند يكي از دلايل ورشكستگي اقتصادي اتحاد جماهير شوروي و درنتيجه فروپاشي آن، سرمايه‌گذاري‌هاي كلان آن رژيم در رقابت فضايي با آمريكا بود.

اواخر دهه‌ي ۳۰ ميلادي، آلمان نازي پروژه‌اي با نام «بمب‌افكن آمريكا» را آغاز كرده بود. هدف از اين پروژه ساخت هواپيمايي بود كه بتواند از خاك آلمان بلند شود و با عبور از اقيانوس اطلس آمريكا را بمباران كند. درميان طرح‌هاي پيشنهادي مهندسان آلماني، طرح ايوگن سنگر با ساير طرح‌ها تفاوت اساسي داشت. طرح پيشنهادي سنگر با نام «سيلبر وگل» (پرنده‌ي نقره‌اي) عملا يك راكت بال‌دار بود. سيلور وگل كه قرار بود چندبارمصرف باشد، پس از اوج گرفتن تا مرز فضا، دوباره به سمت زمين شيرجه مي‌زد. در هنگام ورود به استراتوسفر، افزايش چگالي اتمسفر براي راكت بال‌دارِ سنگر نيروي ليفت ايجاد مي‌كرد و آن را مجددا به ارتفاع بالاتر باز مي‌گرداند. اين فرايند تكرار مي‌شد و درنهايت سيلبروگل با چندين بار شيرجه زدن و اوج گرفتن متوالي، از فراز اقيانوس مي‌گذشت و به آمريكا مي‌رسيد. هرچند ساخت سيلبروگل هيچ‌گاه به سرانجام نرسيد، اما با سقوط آلمان نازي، طرح‌هاي مفهومي آن به‌دست آمريكايي‌ها افتاد و تبديل به مبنايي براي ساخت اولين موشك-هواپيماي آمريكا شد.

اولين طرح‌هاي مفهومي ناسا از فضاپيماي چندبارمصرف و شاتل فضايي

X-15 بين سال‌هاي ۱۹۵۹ تا ۱۹۶۸ در مجموع ۲۰۰ پرواز آزمايشي انجام داد كه در برخي از آن‌ها توانست از خط كارمن (خط فرضي در ارتفاع ۱۰۰ كيلومتري از سطح دريا كه رسما به‌عنوان مرز فضا تعريف مي‌شود) عبور كند. جالب است بدانيد X-15 با ثبت سرعت ۷۲۷۴ كيلومتر بر ساعت در سال ۱۹۶۷، همچنان ركورددار سريع‌ترين هواپيماي مجهز به پيشرانه‌ي موشكي است.

نيل آرمسترانگ دركنار هواپيما-فضاپيماي X-15

كمي بعد نيروي هوايي آمريكا كار روي «هواپيماي فضايي» X-20 را شروع كرد كه از لحاظ ظاهري، بيشترين شباهت را با بخش مدارگرد شاتل داشت. هرچند X-15 هيچگاه جنبه‌ي متخصصدي پيدا نكرد و ساخت X-20 هرگز عملي نشد، اما اين دو هواپيما و طرح‌هاي مشابه، درنهايت مبناي طراحي شاتل فضايي شدند.

اهميت هواپيماهاي فضايي شبيه به شاتل، حتي قبل از فرود انسان روي ماه به‌خوبي درك شده بود. ورنر فون براون، مهندس موشكي آلمان نازي كه پس از جنگ جهاني دوم به آمريكا آمده بود و نقش كليدي در توسعه‌ي برنامه‌ي موشكي-فضايي آمريكايي‌ها داشت، پارادايمي ۴ مرحله‌اي براي برنامه‌هاي فضايي پيشنهاد كرده بود. مراحل پارادايم فون براون به ترتيب عبارت بودند از:

• ارسال انسان به فضا؛
• توسعه‌ي فضاپيماي چندبارمصرف براي آسان و ارزان‌تر شدن دسترسي به فضا؛
• ساخت ايستگاه فضايي با استفاده از فضاپيماي چندبارمصرف؛
• مسكوني كردن ايستگاه فضايي و استفاده از آن به‌عنوان پايگاهي براي ارسال انسان به مأموريت‌هاي فضايي در ماه و بعدها مريخ.

ورنر فون براون درحال توضيح دادن طرح مفهومي خود از فضاپيماي چندبارمصرف و ايستگاه فضايي

چشم‌انداز فون بروان به‌قدري جذاب و آينده‌نگرانه بود كه ناسا در بدو تأسيس در اواخر دهه‌ي ۵۰ ميلادي، آن را نقشه‌ي راه خود اعلام كرد. حال ممكن است اين سؤال پيش بيايد كه اگر ناسا از همان ابتدا اهميت استفاده از فضاپيماهاي چندبارمصرف را درك كرده بود، چرا برنامه‌ي فضايي آمريكا كوچك‌ترين شباهتي به پارادايم فون براون نداشت و ساخت شاتل فضايي تا سال ۱۹۷۲ به تعويق افتاد. پاسخ اين پرسش «مسابقه‌ي فضايي» با شوروي است.

همين موضوع باعث شد تا برنامه‌ي آپولو با اولويت بالاتري شروع به كار كند و پارادايم فون براون ناديده گرفته شود. در اين رقابت فضايي، سرعت از هرچيز ديگري مهم‌تر بود. به‌همين دليل ناسا به‌دنبال استفاده از موشك‌هاي يك‌بارمصرف و بازگرداندن فضانوردان به‌وسيله‌ي كپسول و چتر نجات رفت؛ تكنولوژي‌هايي كه تا آن زمان به‌خوبي پيشرفت كرده بودند و احتياج به تحقيق و توسعه‌ي زمان‌بر در آن‌ها نسبت به شاتل فضايي به‌شدت كم‌تر بود.

رقابت فضايي با قدم‌گذاشتن نيل آرمسترانگ روي سطح ماه در سال ۱۹۶۹ به اتمام رسيد و به‌تبع آن، برنامه‌ي آپولو چند سال بعد خاتمه يافت. پس از شكست دادن شوروي در مسابقه‌ي رسيدن به ماه، ناسا به‌دنبال هدف جديدي براي خود مي‌گشت. اوايل سال ۱۹۶۹، ريچارد نيكسون، رئيس جمهور وقت آمريكا نيروي سادهوهي براي مشخص كردن هدف بعدي ناسا تعيين كرد. در سپتامبر همان سال، نيروي سادهوه نيكسون در گزارش خود اعلام كرد كه بهتر است ناسا بار ديگر به پارادايم فون براون بازگردد: شاتل؛ ايستگاه فضايي؛ ارسال انسان از ايستگاه به ماه؛ ارسال انسان از ايستگاه به مريخ.

جيمز فلچر، مسئول وقت ناسا، درحال توضيح دادن طرح شاتل فضايي براي ريچارد نيكسون

نيكسون از پيشنهاد نيروي سادهوه استقبال نكرد؛ چراكه به‌انديشه متخصصين او طرح پيشنهادي باتوجه به بودجه‌ي ناسا بسيار گران‌ارزش تمام مي‌شد. تنها بخش از پارادايم فون براون كه توانست انديشه متخصصين مساعد و موافقت نيكسون را جلب كند، ساخت شاتل فضايي بود. نيكسون در سال ۱۹۷۲ هنگام تشريح برنامه‌ي جديد ناسا براي مردم آمريكا گفت:

شاتل فضايي دسترسي آمريكا به فضا را مكرر و ارزان‌تر خواهد كرد و پيشرفت‌هاي بعدي به‌لطف اين دو ويژگي، خودبه‌خود از راه خواهند رسيد.

ايده‌ي اصلي ناسا از شاتل، موشكي دومرحله‌اي با قابليت استفاده‌ي مجدد از هر دو مرحله بود. در طرح‌هاي ابتدايي ناسا مرحله‌ي اول موشك كه مجهز به بال بود، مدارگرد شاتل را تا ارتفاع ۱۵ كيلومتري بالا مي‌برد و پس از جداشدن از آن، در بازگشت به زمين مانند هواپيماهاي معمولي روي باند فرود مي‌آمد. درنهايت اين ايده به‌دليل مسائل مالي جامه‌ي واقعيت به‌خود نگرفت و شاتل به‌شكلي كه امروزه آن را مي‌شناسيم طراحي شد؛ دو تقويت‌كننده (بوستر) در دو سوي يك مخزن نارنجي، چسبيده به يك مدارگرد.

اگرچه نام رسمي برنامه‌ي شاتل، «سيستم حمل‌و‌نقل فضايي» (Space Transportation System) بود، اما درطول دوران حيات اين برنامه، قسمت مدارگرد يا حتي كل مجموعه‌ي بوستر-مخزن-مدارگرد بين عموم به شاتل فضايي مشهور شد. در ادامه‌ي اين متن نيز به‌منظور سهولت از نام شاتل براي اشاره به سيستم حمل‌و‌نقل فضايي استفاده خواهد شد.

ناسا وظيفه‌ي خطير ساخت قسمت مدارگرد شاتل (كه فضانوردان را در خود جاي مي‌داد و شبيه به هواپيماهاي متداول بود) را به راكوِل اينترنشنال (كه بعدها در بويينگ ادغام شد) واگذار كرد. ازآنجايي‌كه آماده‌سازي مجدد مدارگرد براي ارسال دوباره به‌فضا فرآيندي زمان‌بر است، راكول به‌سفارش ناسا در مجموع پنج مدارگرد با نام‌هاي كلمبيا، چلنجر، ديسكاوري، آتلانتيس و اِندوِر ساخت تا از اين طريق بتواند فاصله‌ي زماني بين هر پرتاب را كاهش بدهد. مدارگردهاي شاتل با قابليت ۱۰۰ بار استفاده‌ي مجدد و طول عمر ۱۰ سال طراحي شده بودند؛ هرچند درنهايت تعداد دفعات استفاده از هيچ‌كدام از مدارگردها به عدد ۱۰۰ نرسيد، اما طول‌عمر آن‌ها از آنچه در ابتدا برنامه‌ريزي شده بود بسيار فراتر رفت.

اولين پرواز آزمايشي انترپرايز در سال ۱۹۷۷ و ازطريق سوار شدن روي هواپيماي بويينگ ۷۴۷ انجام شد. برخلاف باور عموم، فرود مدارگردهاي شاتل، چندان هم شبيه به هواپيماهاي مسافربري نيست. مدارگرد شاتل نه‌تنها مجهز به موتور جت نبود، بلكه هنگام بازگشت به زمين كاملا خالي از سوخت موشك بود و درنتيجه از موتورهاي موشك خود هم نمي‌توانست استفاده كند. اين موضوع باعث مي‌شد مدارگرد در بازگشت از فضا توانايي توليد هيچ‌گونه نيروي پيشران نداشته باشد و مانند «گلايدر» پرواز كند. انترپرايز پس از انجام چند آزمايش گلايد ديگر بازنشسته و از قطعات آن براي ساخت ساير مدارگردها استفاده شد.

مدارگرد انترپرايز، سوارشده روي بويينگ ۷۴۷ براي تست گلايد

كلمبيا اولين مدارگرد كامل شاتل با قابليت ارسال شدن به فضا بود و اولين پرواز خود را در سال ۱۹۸۱ انجام داد. چلنجر، ديسكاوري و آتلانتيس هم به‌ترتيب در سال‌هاي ۱۹۸۳، ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵ به‌پرواز درآمدند. اندور، پنجمين و آخرين مدارگرد شاتل هم در سال ۱۹۹۲ جايگزين چلنجر شد. هنگامي كه از جان يانگ، فرمانده اولين مأموريت شاتل با نام STS-1 پيش از اولين پرتاپ پرسيده شد كه آيا مضطرب است، او در پاسخ گفت:

هركسي كه روي بزرگ‌ترين سيستم سوخت هيدروژن-اكسيژن جهان قرار بگيرد، بداند كه قرار است انتهاي سيستم مشتعل شود و ذره‌اي نگران نشود، كاملا شرايط را درك نكرده است.

قسمت اعظم بدنه‌ي مدارگردهاي كلمبيا و چلنجر از آلياژهاي آلومينيوم و تيتانيوم ساخته شده بود و وظيفه‌ي تحمل فشارهاي آيروديناميك روي پنجره‌ها را ورقه‌اي شفاف از جنس آلومينيوم سيليكات با قطر ۳.۳ سانتي‌متر برعهده داشت. با پيشرفت‌هاي روزافزون علم‌مواد، ناسا هنگام ساخت مدارگردهاي ديسكاوري، آتلانتيس و اندور تصميم گرفت به‌منظور كاهش دادن وزن، فيبر كربن را جايگزين برخي قطعات آلومينيومي كند. 

مدارگردهاي ۶۸ تني شاتل با ۳۷ متر طول و ۱۷ متر ارتفاع قادر بودند ۶ تا ۸ فضانورد و ۲۵ تن بار را در هر پرتاب به فضا ارسال كنند. طول بال اين مدارگردها به ۲۴ متر مي‌رسيد و مساحت آن‌ها برابر با ۲۵۰ متر مربع بود. يكي از چالش‌هاي بزرگ پيش روي مهندسان ناسا هنگام طراحي مدارگرد شاتل، يافتن ترفندي براي مقابله با حرارت فوق‌العاده بالاي ايجاد شده براثر ورود مجدد به جو زمين بود. درنهايت راهكار مهندسان براي ساخت سپر حرارتي استفاده از هزاران قطعه (يا به‌اصطلاح كاشي) از جنش سراميك بود. در ويديوي زير، توانايي عايقي فوق‌العاده‌ي كاشي‌هاي سيليكايي شاتل به‌خوبي ديده مي‌شود.

هر مدارگرد مجهز به سه موتور موشك RS-25D ساخت راكت داين معروف به «موتور اصلي شاتل فضايي» يا SSME براي قرارگرفتن در مدار بود. اين موتورها كه ميراث‌دار موتور J-2 به‌كاررفته در مرحله‌ي دوم موشك‌هاي ساترن ۵ هستند، با داشتن تكانه‌ي ويژه‌ي برابر با ۴۵۲ ثانيه در خلاء و ۳۶۶ ثانيه در سطح دريا، هنوز هم بهينه‌ترين موتورهاي موشك با سوخت مايع به‌شمار مي‌روند. باوجود عملكرد بالا و ايجاد نيروي رانش برابر با ۱۸۶۰ كيلونيوتن در سطح دريا، موتورهاي مدارگرد تنها ۱۷ درصد نيروي رانش شاتل را هنگام پرتاب تأمين مي‌كردند و وظيفه‌ي اصلي بلندكردن فضاپيما از سطح زمين تا ارتفاع ۴۲ كيلومتري برعهده‌ي دو تقويت‌كننده‌ي سوخت جامد بود.

سه موتور اصلي شاتل حدود ۶ ثانيه پيش از پرتاب با فاصله‌ي زماني ۱۲۰ ميلي‌ثانيه از يكديگر روشن مي‌شدند

پيشرانه‌هاي ورنير روي دماغه‌ي شاتل آتلانتيس

كابين خدمه‌ي مدارگرد شاتل از سه طبقه تشكيل مي‌شد: عرشه‌ي پرواز، طبقه‌ي مياني و قسمت تجهيزات. عرشه‌ي پرواز، همان‌طور كه از نامش پيدا است، فرمانده و خلبان شاتل را در خود جاي مي‌داد. اين طبقه همچنين درصورت نياز توانايي ميزباني از دو متخصص در قسمت پشتي فرمانده و خلبان را هم داشت. مغز الكترونيكي مدارگرد شاتل كه در اين طبقه قرار گرفته بود، از پنج كامپيوتر يكسان IBM AP-101 تشكيل مي‌شد. اگرچه هركدام از اين كامپيوترها به‌تنهايي قابليت كنترل كامل مدارگرد را داشتند، اما ناسا براي امنيت بيشتر تصميم به استفاده از پنج كامپيوتر گرفته بود تا درصورت بروز نقص متخصص براي يكي از آن‌ها، كامپيوتر ديگري به‌سرعت جايگزين آن شود.

طبقه‌ي مياني كه زير عرشه‌ي پرواز قرار مي‌گرفت، محل استقرار ساير خدمه‌ي شاتل بود و ظرفيت آن به سه نفر مي‌‌رسيد. سرويس بهداشتي، آشپزخانه، محل خواب و هوابند ورود و خروج از شاتل هم در طبقه‌ي مياني قرار داشتند. درنهايت طبقه‌ي تحتاني مدارگرد با نام قسمت تجهيزات، مخازن آب‌و‌هوا و تجهيزات بازيافت دي‌اكسيد كربن را در خود جاي داده بود.

براي مشاهده‌ي تصوير در ابعاد اصلي روي آن كليك كنيد.

از كابين سه‌طبقه‌ي خدمه كه بگذريم، به بزرگ‌ترين قسمت شاتل يعني محفظه‌ي حمل بار يا Cargo Bay مي‌رسيم. محفظه‌ي حمل بار كه كاملا از كابين خدمه جدا بود، با ۱۸ متر طول و ۴.۶ متر قطر، بزرگ‌ترين قسمت بدنه‌ي مدارگرد شاتل را تشكيل مي‌داد. ماهواره‌ها، قطعات سازنده‌ي ايستگاه بين‌المللي فضايي و ديگر محموله‌هايي كه شاتل در طول عمرش با خود به فضا برد، همگي در اين قسمت قرار داده مي‌شدند.

آلبوم تصاوير مدارگرد (مدارپيما) شاتل فضايي

يكي از مهم‌ترين جنبه‌هاي برنامه‌ي شاتل فضايي، اسپيس‌لب (Spacelab) يا آزمايشگاه فضايي بود. پيش از ساخت ايستگاه بين‌المللي فضايي، مكان مناسبي براي انجام دادن آزمايش‌هاي علمي نسبتا طولاني در فضا وجود نداشت. ايستگاه فضايي اسكاي‌لب آمريكا مدت‌ها قبل به مأموريت خود خاتمه داده بود و روس‌ها (و پيش از آن شوروي) علاقه‌اي به همكاري با اروپا در ايستگاه فضايي مير نداشتند. درنتيجه نياز به آزمايشگاهي فضايي كه امكان تحقيقات علمي در فضا را به كشورهاي اروپايي و آمريكا مي‌داد به‌شدت احساس مي‌شد.

سال ۱۹۷۳ سازمان فضايي اروپا و ناسا تصميم به ساخت آزمايشگاهي فضايي برمبناي شاتل گرفتند تا خلاء يك ايستگاه فضايي چندمنظوره را جبران كنند. اسپيس‌لب كه توسط كنسرسيومي متشكل از ۱۰ كشور اروپايي ساخته مي‌شد آزمايشگاهي ماژولار و چندبارمصرف بود كه در محفظه‌ي بار شاتل قرار مي‌گرفت. اسپيس‌لب درمجموع در ۲۹ مأموريت شاتل به‌پرواز درآمد و به‌لطف آن آزمايش‌هاي ارزشمندي در شرايط ريزگرانش انجام شد.

مخزن سوخت خارجي كه با ۴۷ متر ارتفاع، ۸.۴ قطر و ۷۶۰ تن وزن، بزرگ‌ترين و سنگين‌ترين قسمت تشكيل‌دهنده‌ي شاتل محسوب مي‌شد، در عين حال تنها قسمت شاتل بود كه امكان استفاده‌ي مجدد از آن وجود نداشت. وظيفه‌ي اصلي مخزن خارجي شاتل، تأمين سوخت هيدروژن و اكسيژن مايع براي سه موتور اصلي مدارگرد شاتل بود. مخزن خارجي همچنين به‌عنوان ستون فقرات شاتل عمل مي‌كرد و قسمت‌هاي ديگر مانند مدارگرد و تقويت‌كننده‌هاي جانبي به آن متصل مي‌شدند.

از مجموع وزن ۷۶۰ تني مخزن خارجي حدود ۶۲۹ تن مربوط‌به اكسيژن مايع، ۱۰۶ تن مربوط‌به هيدرژون مايع و تنها ۲۶/۵ تن مربوط‌به بدنه‌ي مخزن مي‌شد. بااينكه وزن اكسيژن موجود در مخزن خارجي ۶ برابر بيشتر از هيدروژن بود، اما چگالي بسيار پايين هيدروژن مايع باعث مي‌شد اين سوخت تقريبا سه برابر بيشتر از اكسيژن فضا اشغال كند.

ناسا همچنين با انجام دو بازنگري در طراحي مخزن خارجي و استفاده از آلياژ آلومينيوم-منيزيم به‌جاي آلياژ آلومينيوم-مس توانست وزن خشك مخزن (وزن خالص بدون سوخت) را از ۳۵ تن به ۳۰ و سپس به ۲۶/۵ تن كاهش بدهد.

آلبوم تصاوير مخزن خارجي شاتل فضايي

مخزن خارجي پس از جدا شدن از مدارگرد، هنگام ورود مجدد به جو زمين متلاشي مي‌شد و در اقيانوس هند يا آرام (بسته به مقصد نهايي شاتل و مسير پرتاب آن) سقوط مي‌كرد.

تقويت‌كننده‌هاي جانبي شاتل (SRBs)، اولين موتورهاي موشك سوخت جامد بودند كه توانستند اجازه‌ي استفاده در فضاپيماهاي حمل‌كننده‌ي انسان را از ناسا كسب كنند. دليل عدم استفاده از اين نوع موشك‌ها در مأموريت‌هاي پيش از شاتل اين بود كه برخلاف موتورهاي سوخت مايع، در موتورهاي سوخت جامد قابليت جهت‌دهي به نازل (گيمبال) بسيار محدود است و امكان كم و زياد كردن قدرت موتور (Throttling) يا حتي خاموش كردن آن در ميان پرواز وجود ندارد. درواقع موتورهاي سوخت جامد شباهت زيادي به فشفشه‌هايي دارند كه از آن‌ها در نورافشاني‌ها استفاده مي‌شود؛ هنگامي كه آن‌ها را روشن كنيد، عملا ديگر كنترلي روي آن‌ها نخواهيد داشت. به همين دليل است كه از اين نوع موتورها و سوخت جامد، بيشتر در موشك‌هاي قاره‌پيماي بالستيك نظامي استفاده مي‌شود، نه برنامه‌هاي فضايي.

بوسترهاي شاتل پيش از اتصال به مخزن خارجي، هنگام جداشدن از شاتل در ارتفاع ۴۲ كيلومتري، فرود آمدن در اقيانوس با چتر نجات و بازيابي و برگشت به ساحل

بوسترهاي شاتل با مجموع وزن يك ميليون و ۱۸۰ هزار كيلوگرمي خود، ۶۹ درصد از مجموع وزن شاتل فضايي هنگام برخاستن از زمين را به خود اختصاص مي‌دادند. از ميان مجموع ۲۷۰ بوستري كه در طول برنامه‌ي شاتل فضايي استفاده شد، تمامي آن‌ها به‌جز ۴ عدد مورد بازيابي و استفاده‌ي مجدد قرار گرفتند. پس از هربار پرواز بيش از ۵۰۰۰ قطعه براي استفاده‌ي مجدد به اصطلاح «ريفربيش» يا نوسازي مي‌شد. آخرين بوسترهاي شاتل كه از آن‌ها در مأموريت STS-135 استفاده شد حاوي قطعاتي از ۵۹ مأموريت پيشين از جمله قطعاتي از STS-1، يعني اولين پرواز شاتل بود.

تمامي پروازهاي شاتل از مركز فضايي كندي (KSC) انجام مي‌شدند. شاتل هم مانند ديگر موشك‌ها و حتي هواپيماها، نيازمند برقراري شرايط جوي مساعد براي پرتاب بود؛ با اين تفاوت كه برخلاف پروازهاي تجاري، درصورت احتمال وقوع صاعقه مهندسان ناسا اجازه‌ي پرتاب به شاتل نمي‌دادند. هواپيماهاي تجاري در طول عمر خود بارها مورد اصابت صاعقه قرار مي‌گيرند و معمولا هيچ اشكالي براي آن‌ها پيش نمي‌آيد؛ چراكه بار الكتريكي حاصل از صاعقه در بدنه‌ي رسانا پخش مي‌شود و هواپيما اتصال به زمين ندارد. هرچند بدنه‌ي شاتل هم مانند هواپيماها از مواد رسانا ساخته شده بود و همچون قفس فارادي از افراد و تجهيزات داخل آن محافظت مي‌كرد، اما در لحظات ابتدايي پس از پرتاب، بخار آب در تركيب با ديگر فراورده‌هاي شيميايي خارج شده از موتورهاي شاتل، مانند پلي باعث اتصال الكتريكي شاتل به زمين مي‌شدند.

آزمايش سيستم اطفاي صوت شاتل. هنگام پرتاب شاتل بيش از يك ميليون ليتر آب ظرف مدت ۴۱ ثانيه به سمت سكوي پرتاب پاشيده مي‌شد تا خسارت ناشي از امواج قدرتمند صوتي به حداقل برسد.

۶/۶ ثانيه قبل از پرتاب، سه موتور اصلي شاتل (SSME) با فاصله زماني ۱۲۰ ميلي‌ثانيه از يكديگر روشن مي‌شدند و ظرف سه ثانيه به ۹۰ درصد از توان نامي خود مي‌رسيدند. ۳ ثانيه قبل از پرتاب، درصورت مطلوب تشخيص داده شدن عملكرد ۳ موتور اصلي، فرمان روشن كردن موتورهاي سوخت جامد در T-0 ثانيه داده مي‌شد. در لحظه‌ي پرتاب، ۸ پيچ انفجاري كه موتورهاي سوخت جامد را به سكو متصل مي‌كردند با انفجار خود راه را براي جدا شدن شاتل از سكو هموار مي‌كردند و ۰/۲۳ ثانيه پس از پايان شمارش معكوس، شاتل بالاخره از زمين بلند مي‌شد. كمي پس از فاصله گرفتن از سكوي پرتاب، بسته به مسير و مقصد نهايي مأموريت، شاتل چرخش در سه محور اصلي را آغاز مي‌كرد؛ هرچند فارغ از مدار مورد انديشه متخصصين در مراحل نهايي صعود، شاتل از سوي زمين هميشه وارونه به‌انديشه متخصصين مي‌رسيد.

طي فرايند اوج گرفتن موشك‌ها براي خروج از جو زمين، همواره نقطه‌اي از مسير پرتاب وجود دارد كه در آن باتوجه‌به سرعت موشك و غلظت جو زمين، بيشترين فشار آئروديناميك به وسيله وارد مي‌شود. اين نقطه كه به مكس كيو (Max Q) مشهور است، يكي از سرنوشت‌سازترين لحظات در همه‌ي برنامه‌هاي فضايي به‌شمار مي‌رود. اگر موشك بتواند از پس فشارها و استرس وارده در اين نقطه برآيد، در ادامه‌ي مسير كار چندان سختي پيش رو نخواهد داشت. در پروفايل پرتابي شاتل، مكس كيو ۳۰ ثانيه پس از بلندشدن مدارگرد از سكو رخ مي‌داد و طي آن سه موتور اصلي شاتل قدرت خود را به ۷۲ درصد كاهش مي‌دادند تا نيروهاي آئروديناميك وارد روي مدارگرد را به حداقل برسانند. با رقيق‌تر شدن جو و پس از اينكه كامپيوترهاي شاتل تأييد مي‌كردند كه مدارگرد با موفقيت مكس كيو را پشت سر گذاشته است، قدرت موتورها دوباره به حداكثر مقدار خود بازمي‌گشت.

شاتل آتلانتيس در نقطه‌ي مكس كيو با سرعت ۱/۳ ماخ

۱۲۶ ثانيه پس از پرتاب پيچ‌هاي انفجاري متصل كننده‌ي بوسترهاي سوخت جامد فعال مي‌شدند و چند پيشرانه‌ي كوچك آن‌ها را از ساير قسمت‌هاي شاتل جدا مي‌كردند. بوسترها با چتر نجات در اقيانوس فرود مي‌آمدند تا بعد از بازيابي و تعمير، مجددا مورد استفاده قرار بگيرند. هنگام جداشدن بوسترها، شتاب شاتل چيزي حدود ۰/۹ g (شتاب گرانش زمين) بود. هفت دقيقه پس از پرتاب، با سبك‌تر شدن مخزن براثر مصرف سوخت، شاتل توان موتورهاي خود را كاهش مي‌داد تا حداكثر شتاب وارده به مدارگرد و فضانوردان را به ۳g (شتاب معادل رسيدن از ۰ تا ۱۰۰ كيلومتر بر ثانيه در كمتر از يك ثانيه) محدود كند.

 ازآنجايي‌كه كه بيشتر مأموريت‌هاي شاتل در ارتفاع مداري پايين (LEO) و نزديك به ايستگاه بين‌المللي فضايي انجام مي‌شدند، مدار شاتل تقريبا دايره‌اي با ارتفاع متوسط كمتر از ۴۰۰ كيلومتر از سطح زمين بود. در اين ارتفاع سرعت گردش مدارگرد شاتل به دور زمين به بيش از ۲۷ هزار كيلومتر بر ساعت معادل ۲۳ ماخ (۲۳ برابر سرعت صوت در سطح دريا) مي‌‌رسيد.

در طول عمر برنامه‌ي شاتل فضايي، ناسا همواره ترجيح مي‌داد تا مدارگرد شاتل را در مركز فضايي كندي فرود بياورد. درصورت مساعد نبودن شرايط جوي، شاتل مي‌توانست فرود خود را به تأخير بيندازد يا در يكي از ده‌ها فرودگاهي كه در اقصي نقاط جهان براي شرايط اضطراري درانديشه متخصصين گرفته شده بودند فرود بيايد. تقريبا تمام فرايند ورود مجدد شاتل به زمين، به جز بازكردن چرخ‌ها و ارابه‌ي فرود، به‌صورت خودكار و تحت كنترل كامپيوترهاي شاتل انجام مي‌شد؛ هرچند امكال كنترل تمام دستي شاتل در شرايط اضطراري وجود داشت.

شبيه‌سازي‌هاي CFD ناسا از گرما و جريان هوا در اطراف مدارگرد شاتل هنگام ورود مجدد به جو زمين

اولين اثرات برخورد شاتل با جو زمين در ارتفاع ۱۲۰ كيلومتري و در سرعت ۲۵ ماخ اتفاق مي‌افتاد. در اين لحظات دماغه‌ي فضاپيما در زاويه‌ي ۴۰ درجه‌اي نسبت به افق قرار داشت. با ورود به قسمت‌هاي چگال‌تر جو، شاتل رفته‌رفته از فضاپيما به هواپيما تبديل مي‌شد و زاويه‌ي ۴۰ درجه‌اي دماغه با ايجاد نيروي ليفت قابل‌توجه باعث مي‌شد مدارگرد مجددا اوج بگيرد. براي جلوگيري از اين مسئله شاتل مسيري مارپيچ با زاويه‌ي بَنك ۷۰ درجه‌اي را طي مي‌كرد. درنهايت با كامل شدن روند گذار مدارگرد از فضاپيما به هواپيما، شاتل با پايين آوردن دماغه به محل فرود نزديك مي‌شد.

نسبت ليفت به درگ مدارگرد شاتل در طول پروفايل پروازي مقدار ثابتي نبود و از ۱:۱ در سرعت‌هاي ابرصوتي (بيش از ۵ ماخ) تا ۲:۱ در سرعت‌هاي مافوق صوت و ۴/۵:۱ در سرعت‌هاي كم‌تر از صوت تغيير مي‌كرد. در لايه‌هاي پاييني جو زمين، شاتل بيشتر شبيه به يك گلايدر معمولي پرواز مي‌كرد؛ با اين تفاوت كه نرخ كاهش ارتفاع آن به ۵۰ متر بر ثانيه (۱۸۰ كيلومتر بر ساعت) مي‌رسيد.

مرحله‌ي پاياني فرود مدارگرد در ارتفاع ۳ كيلومتري و با فاصله‌ي ۱۲ كيلومتر از باند فرود شروع مي‌شد. در اين مرحله خلبان‌هاي شاتل با اعمال كردن ترمز آئروديناميك سرعت مدارگرد را از ۶۸۲ به ۳۴۶ كيلومتر بر ساعت در لحظه‌ي به زمين نشستن كاهش مي‌دادند. براي مقايسه سرعت هواپيماهاي مسافربري هنگام نشستن تنها ۲۶۰ كيلومتر بر ساعت است. علاوه‌بر ترمز آئروديناميك، شاتل از يك چتر ۱۲ متري هم براي كاهش سرعت خود تا ۱۱۰ كيلومتر بر ساعت استفاده مي‌كرد.

پس از فرود آمدن، مدارگرد شاتل چندين ساعت روي باند فرود باقي مي‌ماند تا خنك شود. چندين تيم در اطراف مدارگرد به‌دنبال آثار هيدروژن، هيدرازين، نيتروژن تتراكسيد و آمونيا (سوخت‌ها و فراورده‌هاي جانبي سيستم RCS شاتل) مي‌گشتند. درصورت پيدا شدن اثري از اين مواد، با اعلام حالت اضطراري مدارگرد خاموش مي‌شد و تمامي پرسنل محوطه را ترك مي‌كردند. سپس كارواني از ۲۵ خودروي مخصوص حامل ۱۵۰ مهندس و تكنسين يادگيري‌ديده به مدارگرد نزديك مي‌شدند و تمام خطوط و لوله‌هاي سوخت‌رساني سيستم RCS را از مواد سمي پاك مي‌كردند.

پس از پاكسازي، پزشكِ پرواز وارد مدارگرد مي‌شد تا خدمه‌ي شاتل را مورد معاينات مقدماتي پزشكي قرار دهد. درصورت مطمئن شدن پزشك از سلامت خدمه، مدارگرد تخليه و در اختيار مركز فضايي كندي قرار داده مي‌شد.

سپس سه موتور اصلي مدارگرد از بدنه‌ي آن جدا مي‌شدند تا ۵۰ هزار قطعه‌ي به‌كار رفته در آن‌ها مورد ارزيابي قرار بگيرد و درصورت نياز تا ۷ هزار قطعه (كه عمر محدودي داشتند) جايگزين شوند. دو بوستر جانبي هم كه شاتل را تا ارتفاع ۴۵ كيلومتري بالا مي‌بردند از اقيانوس اطلس بازيابي و پس از تكه تكه شدن از فلوريدا به يوتا انتقال داده مي‌شدند؛ سفري كه ازطريق ۴ خط ريلي انجام مي‌شد و تا سه هفته طول مي‌كشيد.

فرايند آماده‌سازي مجدد شاتل براي پرتاب، از لحاظ زمان، هزينه و پيچيدگي به هيچ‌وجه با بازرسي مختصري كه هواپيماهاي مسافربري پيش از هر بار پرواز به آن احتياج دارند قابل قياس نيست. اگرچه هنگام مطالعه تاريخچه‌ي برنامه‌ي شاتل فضايي يكي از جذاب‌ترين موضوعات فرايند آماده‌سازي مجدد آن است، متأسفانه به‌دليل گستردگي زياد توانايي پرداختن بيشتر به اين بخش در اين مقاله مقدور نيست. درصورت علاقه به اين ممباحثه مي‌توانيد اين مقاله‌ي جامع ناسا را مطالعه كنيد.

برنامه‌ي شاتل فضايي در طول عمر خود شاهد دو سانحه‌ي مرگبار بود كه هر دو منجر به مرگ تمامي سرنشينان شاتل شدند. اولين سانحه‌ي فاجعه‌بار شاتل در سال ۱۹۸۶ درجريان مأموريت STS-51-L براي مدارگرد چلنجر اتفاق افتاد. ۷۳ ثانيه پس از پرتاب چلنجر در ۲۸ ژانويه ۱۹۸۶، فضاپيما بر اثر نقص متخصص يكي از بوسترها متلاشي شد و هر هفت فضانورد سوار بر مدارگرد جان خود را از دست دادند.

ازآنجايي كه مأموريت STS-51-L قرار بود كريستا مك‌اوليف، يك معلم دبيرستاني معمولي را به‌عنوان اولين معلم به فضا بفرستد، ۱۷ درصد از جمعيت آمريكا پرتاب چلنجر را به‌صورت زنده تماشا مي‌كردند. از فاجعه‌ي چلنجر به‌عنوان درسي مهم در مطالعات ايمني مهندسي و اخلاق سازماني ياد مي‌شود.

دومين سانجه‌ي مرگبار شاتل اول فوريه‌ي ۲۰۰۳، بيش از ۱۶ سال پس از سانحه‌ي چلنجر اتفاق افتاد. شاتل كلمبيا كه از مأموريت STS-107 باز‌مي‌گشت، اين بار هنگام ورود مجدد به جو زمين متلاشي شد و هر ۷ سرنشين آن جان خود را از دست دادند. نقص منجر به از دست رفتن كلمبيا اما چند روز پيش از سانحه هنگام صعود آن در جو، براثر جدا شدن تكه‌اي فوم عايق از مخزن خارجي و برخورد آن با بال چپ مدارگرد رخ داده بود.

بقاياي كلمبيا هنگام ورود مجدد به جو زمين

شاتل آتلاتنيس آماده‌ي پرتاب براي مأموريت تعمير تلسكوپ هابل، دركنار شاتل اندور آماده‌ي پرتاپ براي عمليات نجات آتلانتيس درصورت وقوع حادثه

پس از سانحه، شاتل بار ديگر به مدت بيش از دو سال زمين‌گير و ادامه‌ي ساخت ايستگاه بين‌المللي فضايي متوقف شد. براي جلوگيري از وقوع سوانح مشابه، سيستم عايق حرارتي شاتل در هر مأموريت در مدار به‌طور كامل مورد بازرسي قرار مي‌گرفت. همچنين با هر بار پرتاب شاتل، يك مأموريت ديگر روي زمين آماده‌ي پرتاب بود تا درصورت وقوع شرايط اضطراري فضانوردان را نجات بدهد.

هنگام مطالعه تاريخچه‌ي شاتل، با دو سؤال اساسي رو‌به‌رو مي‌شويم: آيا برنامه‌ي شاتل فضايي موفق بود و آيا برنامه‌هاي مشابه هم به سرنوشت شاتل دچار خواهند شد؟

براي پاسخ به سؤال اول، نخست بايد اهداف برنامه‌ي شاتل را بار ديگر مرور كنيم. شاتل آمده بود تا دسترسي به فضا را آسان و ارزان كند. در سال ۱۹۶۹ هزينه‌ي پرتاب هر موشك ساترن ۵ كه انسان را به ماه برد چيزي حدود ۱۸۵ تا ۳۷۵ ميليون دلار بود. ناسا قصد داشت با ساخت شاتل اين هزينه را تا حد امكان كاهش دهد. اين درحالي است كه برآوردها نشان مي‌دهد، هزينه‌ي پرتاب هر شاتل براي ناسا چيزي بين ۴۵۰ تا ۱/۵ ميليارد دلار (بسته به درانديشه متخصصينگرفتن هزينه‌ي تحقيق و توسعه) تمام مي‌شد. موضوع براي ناسا وقتي خجالت‌آورتر مي‌شود كه بدانيد ظرفيت ارسال بار شاتل به مدارهاي پاييني زمين (LEO) حدود ۲۷ تن بود و اصلا قابليت ارسال محموله به ماه نداشت؛ درحالي‌كه ساترن ۵ مي‌توانست ۱۴۰ تن به مدارهاي پاييني و تا ۴۸ تن بار به ماه ارسال كند.

در سوي مقابل، بسياري با اشاره به قابليت‌هاي منحصر‌به‌فرد شاتل، آن را درمجموع برنامه‌اي موفق مي‌خوانند. به‌عنوان نمونه، سرويس و تعمير تلسكوپ فضايي هابل در مدار و بسياري از مأموريت‌هاي ديگر بدون شاتل ممكن نبود. همچنين درست مانند سفر انسان به ماه، در جريان توسعه‌ي شاتل فضايي هم فناوري‌هاي متعددي در رشته‌هاي مختلف علمي و مهندسي توسعه داده شدند كه امروزه علاوه‌بر فضا، روي زمين هم بسيار پركاربرد و مفيدند.

موشك در دست توسعه‌ي ناسا با نام SLS كه قرار است جايگزين شاتل شود، بدون مدارگرد و يكبارمصرف است

فارغ از موفق يا ناموفق دانستن برنامه‌ي شاتل فضايي، نمي‌توان منكر هزينه‌ي بالا و نواقص مرگبار آن شد. حال اين سؤال مطرح مي‌شود كه آيا شركت‌ها و برنامه‌هاي فضايي جديدي كه قصد دارند بار ديگر شانس خود در استفاده از فضاپيماها و موشك‌هاي چندبارمصرف را بيازمايند موفق خواهند شد؛ يا قدم در راه پرخطر تبديل شدن به شاتلي ديگر مي‌گذارند؟

رندر موشك استارشيپ اسپيس‌ايكس (راست) و موشك نيوگلن بلو اوريجين (چپ). موشك‌هاي چندبارمصرف جديد شباهت چنداني به شاتل فضايي ندارند

موشك‌هاي چندبارمصرف جديد از جمله فالكون ۹ و استارشيپ اسپيس‌ايكس، موشك نيو گلن بلو اوريجين و ديگر موشك‌هاي چندبارمصرف در دست توسعه (كه فهرست كامل آن‌ها را مي‌توانيد از اينجا مشاهده كنيد) از لحاظ ساختاري قابل قياس با شاتل نيستند. از طرفي تمامي اين موشك‌ها از ۴۰ سال پيشرفت بيشتر تكنولوژي نسبت به شاتل بهره مي‌برند و برخلاف ناسا كه نمونه‌اي مشابه براي تقليد و آموختن در اختيار نداشت، شركت‌هاي فضايي جديد از تاريخچه‌ي شاتل درس مي‌گيرند تا اشتاباهات ناسا را تكرار نكنند. ازاين‌رو مقايسه‌ي موشك‌هاي جديد با شاتل نه‌تنها غير منطقي به‌انديشه متخصصين مي‌رسد، بلكه شايد ناعادلانه نيز باشد.

شايد بهترين توصيف شاتل را بايد از زبان ايلان ماسك شنيد:

از شاتل فضايي معمولا به‌عنوان مثالي براي [نشان دادن] اينكه چرا نبايد چيزي را چندبارمصرف ساخت استفاده مي‌شود؛ اما يك آزمايش ناموفق، هدف نهايي را از اعتبار ساقط نمي‌كند. اگر چنين بود، هرگز [حتي] موفق به اختراع لامپ هم نمي‌شديم.

انديشه متخصصين شما درباره‌ي شاتل فضايي و موشك‌هاي چندبارمصرف چيست؟ آيا آينده‌ي اين نوع موشك‌ها را روشن مي‌بينيد؟ هم انديشي ها خود را با ما و متخصصان اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران در ميان بگذاريد.